FR2553835A1 - FLUID COMPRESSION MACHINE WITH SEVERAL COMPRESSION STAGES IN SERIES - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE UNE MACHINE DE COMPRESSION D'UN FLUIDE, COMPRENANT PLUSIEURS ETAGES DE COMPRESSION EN SERIE CONSTITUES PAR DES COMPRESSEURS DE TYPES DIFFERENTS. LES ETAGES D'ENTREE DE LA MACHINE SONT CONSTITUES PAR DES COMPRESSEURS CENTRIFUGES C1, C2, LES ETAGES DE SORTIE SONT CONSTITUES PAR DES COMPRESSEURS PERIPHERIQUES P, P, CES COMPRESSEURS ETANT ENTRAINES PAR UN MEME ARBRE 30 ET ETANT LOGES DANS UN CARTER UNIQUE 24, 26, 28. L'INVENTION S'APPLIQUE NOTAMMENT A LA PRODUCTION D'UN DEBIT DE FLUIDE COMPRIS ENTRE QUELQUES CENTAINES ET QUELQUES DIZAINES DE MILLIERS DE M PAR HEURE, A UNE PRESSION COMPRISE ENTRE 150 ET 300BARS ENVIRON.THE INVENTION RELATES TO A MACHINE FOR COMPRESSING A FLUID, INCLUDING SEVERAL COMPRESSION STAGES IN SERIES CONSTITUTED BY COMPRESSORS OF DIFFERENT TYPES. THE INPUT STAGES OF THE MACHINE ARE CONSTITUTED BY CENTRIFUGAL COMPRESSORS C1, C2, THE OUTPUT STAGES ARE CONSTITUTED BY PERIPHERAL COMPRESSORS P, P, THESE COMPRESSORS BEING DRIVEN BY A SAME SHAFT 30 AND HOUSING A SINGLE CASE 24, 26, 28. THE INVENTION IS APPLIED IN PARTICULAR TO THE PRODUCTION OF A FLUID FLOW BETWEEN A FEW HUNDREDS AND A FEW TENS OF THOUSANDS OF M PER HOUR, AT A PRESSURE BETWEEN ABOUT 150 AND 300BARS.
Description
Machine de compression d'un fluide, à plusieurs étages deMulti-stage fluid compression machine
compression en série.serial compression.
L'invention concerne une machine de compression d'un-fluide, comprenant plusieurs étages de compression en série constitués The invention relates to a machine for compressing a fluid, comprising a plurality of series compression stages consisting of
par des compresseurs de types différents. by compressors of different types.
Lorsque l'on veut obtenir des débits de fluide de l'ordre de quelques centaines à quelques dizaines de milliers de m par heure à une pression comprise entre 100-150 et 300-350 bars environ, il est déjà connu d'associer des compresseurs centrifuges à des compresseurs à pistons alternatifs ou à des com10 presseurs à vis, le fluide étant comprimé d'abord par les compresseurs centrifuges, puis par les compresseurs à pistons ou When it is desired to obtain fluid flow rates of the order of a few hundred to several tens of thousands of meters per hour at a pressure of between approximately 100-150 and 300-350 bar, it is already known to associate compressors. centrifugal reciprocating compressors or screw compressors, the fluid being compressed first by the centrifugal compressors, then by the reciprocating compressors or
à vis.to screw.
Un tel ensemble de compresseurs peut en particulier ros ire 15 du gaz comprimé destiné à être injecté dans une nappe pétrolifère (qui peut être souterraine ou sous-marine) pour la récupération assistée du pétrole Ce procédé connu d'exploitation d'un gisement pétrolifère se caractérise, entre autres, par une diminution du débit de gaz nécessaire au fur et à me ure de 20 l'extraction du pétrole Cette diminution de débit constitue un inconvénient majeur lorsque le gaz comprimé est fourni par un ensemble de compresseurs centrifuges et de compresseurs pistons ou à vis, car on risque alors d'atteindre la "limite Such a set of compressors can in particular produce compressed gas intended to be injected into an oil slick (which may be underground or underwater) for enhanced oil recovery. This known method of operating an oilfield is This reduction in flow rate is a major drawback when the compressed gas is supplied by a set of centrifugal compressors and piston compressors, among other things, by a reduction in the gas flow rate required for the extraction of the oil. or screw, because there is a risk of reaching the "limit
de pompage", en dessous de laquelle se produisent des oscilla- "pumping", below which oscillations occur
tions de pression très importantes et des vibrations susceptibles de détruire les compresseurs. pressure and vibrations that could destroy the compressors.
On peut éviter ce risque en multipliant le nombre d'étage de 5 compresseurs centrifuges, au prix d'une augmentation correspondante des investissements et des frais de maintenance et de fonctionnement. En outre, les compresseurs à pistons ou à vis qui sont associés 10 aux compresseurs centrifuges présentent des inconvénients propres: coat et encombrement importants, maintenance fréquente et onéreuse, bruits et vibrations en fonctionnement Ils doivent de plus être reliés par des boites de démultiplication ax moyens moteurs d'entraînement des compresseurs centrifuges. 15 L'invention a notamment pour objet une machine de compression This risk can be avoided by multiplying the number of stages of 5 centrifugal compressors, at the cost of a corresponding increase in investment and maintenance and operating costs. In addition, the piston or screw compressors which are associated with centrifugal compressors have their own drawbacks: significant cost and bulk, frequent and expensive maintenance, noise and vibration during operation. They must also be connected by means of medium gearboxes. drive motors centrifugal compressors. The invention particularly relates to a compression machine
de fluide, fonctionnant dans la gamme précitée de débits et de pressions, qui ne présente aucun des inconvénients de la technique antérieure. fluid, operating in the aforementioned range of flow rates and pressures, which has none of the disadvantages of the prior art.
L'invention a également pour objet une machine de ce type qui The invention also relates to a machine of this type which
soit compacte, unitaire et peu encombrante. is compact, unitary and compact.
L'invention a encore pour objet une machine de ce type présen25 tant une fiabilité largement supérieure à celle des machines The invention also relates to a machine of this type having a reliability far superior to that of machines
équivalentes de la technique antérieure. equivalent of the prior art.
Elle propose à cet effet une machine de compression d'un fluide, destinée en particulier à délivrer un débit de fluide de l'ordre de quelques centaines à quelques dizaines de milliers de m par heure à une pression comprise entre 150 et 300 bars environ, et comprenant plusieurs étages de compression en série constitués par des compresseurs de types différents, caractérisée par It proposes for this purpose a fluid compression machine, intended in particular to deliver a fluid flow of the order of a few hundred to a few tens of thousands of m per hour at a pressure of between 150 and 300 bar, and comprising a plurality of series compression stages constituted by compressors of different types, characterized by
l'association d'au moins un compresseur centrifuge formant un 35 étage d'entrée de la machine et d'au moins un compresseur périphérique formant un étage de sortie de cette machine. the combination of at least one centrifugal compressor forming an input stage of the machine and at least one peripheral compressor forming an output stage of this machine.
L'association des compresseurs périphériques (qui peuvent être également appelés dans la technique compresseurs à impulslons, cormpresseurs à récupération, compresseurs à frottement) à des compresseurs centrifuges permet d'obtenir une machine par Llcu5 lièrement compacte dans laquelle les rotors des compresseurs périphériques ont des diamètres à peu près égaux à ceux des rotors des compresseurs centrifuges et peuvent être entrafnés à la même vitesse de rotation que les rotors des compresseurs The combination of peripheral compressors (which may also be referred to in the art as pulse compressors, recuperative compressors, friction compressors) to centrifugal compressors makes it possible to obtain a compact compact machine in which the rotors of the peripheral compressors have reciprocating compressors. diameters approximately equal to those of the rotors of the centrifugal compressors and can be entrapped at the same speed of rotation as the rotors of the compressors
centrifuges, ce qui permet de monter tous les compresseurs sur 10 un même arbre d'entraînement en rotation. centrifuges, which makes it possible to mount all the compressors on one and the same rotating drive shaft.
On évite ainsi l'emploi de transmissions à démultiplication. This avoids the use of transmissions gearing.
Par ailleurs, les compresseurs périphériques ne présente t pas 15 de phénomène de pompage quand le débit de fluide diminue et permettent d'obtenir des pouvoirs manométriques plusieurs fois In addition, the peripheral compressors do not exhibit any pumping phenomenon when the fluid flow rate decreases and make it possible to obtain manometric power several times.
plus élevés que ceux des compresseurs centrifuges. higher than those of centrifugal compressors.
La machine selon l'invention peut donc comprendre des compres20 seurs centrifuges qui sont moins chargés que ceux des machines The machine according to the invention can therefore comprise centrifugal compressors which are less loaded than those of the machines.
antérieures équivalentes et qui sont moins sensibles au phénomène de pompage, sans que l'on ait à multiplier leur nombre. equivalents and are less sensitive to the pumping phenomenon, without having to multiply their number.
Par ailleurs, les compresseurs centifuges et les compresseurs 25 périphériques montés sur un même arbre d'entra:nement peuvent Furthermore, centralized compressors and peripheral compressors mounted on the same drive shaft can
être logés dans un même carter dont éventuellement une seule extrémité est traversée à étanchéité par l'arbre d'entra Inemznt, l'extrémité libre de cet arbre étant reçue avec interposition d'un palier de butée dans un logement borgne de l'autre 30 extrémité du carter. they are housed in one and the same casing, of which only one end is penetrated with sealing by the drive shaft Inemznt, the free end of this shaft being received with the interposition of a thrust bearing in a blind housing of the other 30 end of the housing.
Avantageusement, l'arbre d'entraînement des compresseurs centrifuges et périphériques de la machine peut dtre en prise Advantageously, the drive shaft of the centrifugal and peripheral compressors of the machine can be engaged
direct avec un moyen moteur approprié, tel qu'une turbine à 35 à gaz. direct with a suitable motor means, such as a gas turbine.
La machine selon l'invention associe ainsi, dans un même carter et sur le même arbre d'entraînement en prise directe avec le moyen moteur, des compresseurs cerntrifuges et des compresseurs The machine according to the invention thus combines, in the same casing and on the same drive shaft in direct contact with the motor means, compressors cerntrifug and compressors
périphériques assurant toute la compression du fluide. peripherals ensuring all the compression of the fluid.
Dans la description qui suit, faite à titre d'exemple, on se In the description that follows, given as an example, we
réfère aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue schématique illustrant une application de l'invention à la récupération assistée du pétrole; la figure 2 est une vue schématique en coupe axiale d'une 1 is a schematic view illustrating an application of the invention to enhanced oil recovery; FIG. 2 is a diagrammatic view in axial section of a
machine selon l'invention.machine according to the invention.
On se réfère d'abord à la figue 1 qui représente, à titre We first refer to fig 1 which represents, as a
d'exemple, une application particulièrement intéressante de 15 l'invention à un procédé de récupération assistée du pétrole. for example, a particularly advantageous application of the invention to an enhanced oil recovery process.
Ce procédé, connu en lui même, consiste à injecter un gaz sous This process, known in itself, consists in injecting a gas under
pression, par exemple du gaz carbonique, dans un gisement pétrolifère 10 qui peut être souterrain ou sous-marin, pour assister 20 la remontée du pétrole vers la surface dans un puits ou un conduit d'extraction 12. pressure, for example carbon dioxide, in an oil field 10 which may be underground or submarine, to assist in raising oil to the surface in a well or an extraction conduit 12.
Le gaz utilisé est fourni par une source appropriée 14, par exemple une unité de combustion alimentée par un gisement de 25 gaz naturel, une usine de synthèse d'urée, etc Le gaz carbonique fourni par la source 14 est à une pression comprise par exemple entre 1 et 20 bars, qui peut être relevée à 150 bars par une station de compression 16 alimentant un gazoduc 18 amenant le gaz comprimé dans la région du gisement pétrolifère. 30 Des stations de recompression 20 sont prévues de place en place sur le gazoduc 18 pour compenser les pertes de charge, par exemple en relevant la pression du gaz carbonique de 80 bars ' bars environ Une station finale de compression 22 fait The gas used is supplied by an appropriate source 14, for example a combustion unit fed by a natural gas reservoir, a urea synthesis plant, etc. The carbon dioxide supplied by the source 14 is at a pressure of, for example, between 1 and 20 bar, which can be raised to 150 bar by a compressor station 16 supplying a pipeline 18 bringing the compressed gas into the region of the oilfield. Recompression stations 20 are provided from place to place on the pipeline 18 to compensate for pressure losses, for example by raising the pressure of carbon dioxide by about 80 bar / bar.
passer la pression du gaz carbonique de 80 bars à 250 ou 300 35 bars environ, pour injection dans 'Le gisement pétrolifère 10. to pass the pressure of the carbon dioxide of 80 bars at 250 or 300 35 bar approximately, for injection in the oilfield 10.
Les débits de gaz carbonique sont typiquement de l'ordre de quelques centaines à quelques milliers de tonnes par jour, et le débit de gaz carbonique comprimé qui doit être injecté dans la nappe pétrolifère diminue progressivement au fur et à mesure de l'exploitation du gisement Les machines de compression selon l'invention, dont l'une est représentée schématiquement en figure 2, sont particulièrement destinées à équiper les The flow rates of carbon dioxide are typically of the order of a few hundred to a few thousand tons per day, and the flow rate of compressed carbon dioxide that must be injected into the oil slick gradually decreases as exploitation of the deposit The compression machines according to the invention, one of which is shown schematically in FIG. 2, are particularly intended to equip the
stations 16, 20 et 22.stations 16, 20 and 22.
La machine de la figure 2 comprend un carter unique constitué par un corps tubulaire cylindrique 24 et deux flasques d':xtrémités 26 et 28 fixés à étanchéité sur les extrémités du corps 10 24 Un arbre moteur 30 s'étend axialement dans le corps 24 et est reçu à son extrémité dans un logement borgne 32 du flasque d'extrémité 28, au moyen d'un palier de rotation 34 et d'un palier de butée axiale 36 A son extrémité opposée, l'arbre 30 traverse à étanchéité un passage cylindrique 38 du fias15 que d'extrémité 26, au moyen de joints d'étanchéité 40, et de paliers de rotation 42 L'extrémité de l'arbre 30 extérieure The machine of FIG. 2 comprises a single casing constituted by a cylindrical tubular body 24 and two flanges of: extremities 26 and 28 fixed to seal on the ends of the body 24. A driving shaft 30 extends axially in the body 24 and is received at its end in a blind housing 32 of the end flange 28, by means of a rotational bearing 34 and an axial abutment bearing 36 at its opposite end, the shaft 30 passes through a cylindrical passage 38 of the end plate 26, by means of seals 40, and rotational bearings 42 The end of the outer shaft 30
au carter est entraînée en rotation en prise directe par un moteur approprié, par exemple une turbine à gaz. the housing is rotated in direct drive by a suitable motor, for example a gas turbine.
Sur la partie de l'arbre 30 intérieure au carter sont fixés les rotors de compresseurs centrifuges Cl, C 2,, , formant les étages d'entrée de la machine, et les rotors de compresseurs périphériques Pn-'1 Pn formant les étages de sortie de la machine qui comprend N étages de compression en série. 25 Les stators (non représentés) des compresseurs centrifuges Ci, C 2,, et ceux Sn-1 ' Sn des compresseurs périphériques sont On the part of the shaft inside the casing are fixed rotors of centrifugal compressors Cl, C 2 ,, forming the input stages of the machine, and the rotors of peripheral compressors Pn-'1 Pn forming the stages of output of the machine which comprises N series compression stages. The stators (not shown) of the centrifugal compressors Ci, C 2, and those Sn-1 'Sn of the peripheral compressors are
contenus dans le corps 24 du carter et sont supportés directement par celui-ci. contained in the body 24 of the housing and are directly supported by it.
Un conduit 44 d'amenée de gaz traverse à étanchéité le corps 24 du carter et aboutit à l'entrée du premier compresseur centrifuge Cl La sortie de ce compresseur Cl est reliée, à l'intérieur du corps 24, à l'entrée du second compresseur centrifuge 35 C 2, comme indiqué schématiquement en 46, et ainsi de suite. A duct 44 for supplying gas passes through the body 24 of the casing and ends at the inlet of the first centrifugal compressor C1. The output of this compressor C1 is connected, inside the body 24, to the inlet of the second Centrifugal compressor 35 C 2, as shown schematically at 46, and so on.
Chaque fois que nécessaire, par exemple lorsque la température du gaz comprimé atteint 2000 C, on peut prévoir de refroidir le gaz comprimé par passage dans un échangeur de chaleur 48 exté- Whenever necessary, for example when the temperature of the compressed gas reaches 2000 ° C., it is possible to cool the compressed gas by passing through an external heat exchanger 48.
rieur au carter de la machine Pour cela, l'échangeur 48 est relié, au travers du corps 24, à la sortie d'un compresseur et For this, the exchanger 48 is connected, through the body 24, to the outlet of a compressor and
à l'entrée du compresseur suivant, comme indiqué schématiquement en 50 et 52 sur le dessin. at the inlet of the next compressor, as shown schematically at 50 and 52 in the drawing.
On voit également que la sortie du compresseur périphérique Pn-1 est reliée à l'entrée du compresseur périphérique Pn comme indiqué schématiquement en 54, et que la sortie de ce compresseur Pn' qui forme le dernier étage de compression de 10 la machine, est reliée à étanchéité à travers le corps 24 au It can also be seen that the output of the peripheral compressor Pn-1 is connected to the input of the peripheral compressor Pn as indicated schematically at 54, and that the output of this compressor Pn 'which forms the last compression stage of the machine, is connected to tightness through the body 24 at
conduit 56 de sortie de la machine.led 56 output of the machine.
La structure d'un compresseur centrifuge est bien connue dans la technique et n'a pas à être rappelée ici plus en détail On 15 rappellera simplement qu'un compresseur périphérique ou compresseur à récupération comprend un rotor R à pales ou aubes a tournant dans une chambre de compression annulaire formée par le stator du compresseur Dans cette chambre de compression annulaire est fixé un opercule d'étanchéité O présentant une 20 fente traversée avec un jeu faible par les aubes a du rotor R. Les conduits d'entrée et de sortie du fluide débouchent dans la chambre annulaire de compression respectivement de part et d'autre de l'opercule d'étanchéité O. Avantageusement, les compresseurs centrifuges et les compresseurs périphériques sont montés sur l'arbre moteur 30 de telle sorte que la poussée axiale F 1 développée par les compresseurb centrifuges soit opposée à la poussée axiale F 2 développée par les compresseurs périphériques, ce qui permet, sinon d'annuler, 30 au moins de réduire la poussée axiale exercée par l'arbre 30 The structure of a centrifugal compressor is well known in the art and need not be recalled here in more detail. It will be recalled simply that a peripheral compressor or regenerative compressor comprises a rotor R with blades or vanes rotating in a An annular compression chamber formed by the stator of the compressor In this annular compression chamber is fixed a sealing cover O having a slot traversed with a small clearance by the vanes a of the rotor R. The inlet and outlet ducts of the fluid flow into the annular compression chamber respectively on either side of the sealing cover O. Advantageously, the centrifugal compressors and the peripheral compressors are mounted on the motor shaft 30 so that the axial thrust F 1 developed by the centrifugal compressors is opposed to the axial thrust F 2 developed by the peripheral compressors, which allows, if not a to reduce, at least 30, the axial thrust exerted by the shaft 30
sur la plaque d'extrémité 28 du carter. on the end plate 28 of the housing.
Le fonctionnement de la machine découle à l'évidence de ce qui précède: Les rotors des compresseurs centrifuges et des compresseurs périphériques Cl, C 2,, Pn-l' Pn sont entra$ns à la même vitesse de rotation par leur arbre commun 30, qui est lui-même 2553 b 35 The operation of the machine is evident from the foregoing: The rotors of the centrifugal compressors and the peripheral compressors C1, C2, Pn and Pn are driven at the same rotational speed by their common shaft. who is himself 2553 b 35
entra nè en prise directe par une turbine à gaz ou analogue. directly engaged by a gas turbine or the like.
Le fluide à comprimer est intro it dans la machine par le conduit 44 traversant le corps 24 du carter, subit une compressiopar paliers dans les divers étages de compression centrifuges et périphériques et sort de la machine à une pression comprise The fluid to be compressed is introduced into the machine via the conduit 44 passing through the body 24 of the casing, undergoes a compressiopar bearing in the various centrifugal and peripheral compression stages and leaves the machine at a pressure of
entre 150 et 300 bars environ.between 150 and 300 bars approximately.
Les échangeurs de chaleur 48 refroidissent le gaz comprimr C chaque fois que nécessaire entre deux étages de compression 10 La machine selon l'invention est destinée en particulier ô la compression d'un gaz dont le débit varie entre quelques centaines et quelques milliers de tonnes par jour, et est en outre susceptible de diminuer progressivement dans le temps L'utili15 sation des compresseurs périphériques en étages de sortie de la machine permet, d'une part, de rendre moins sensibles au phénomène de pompage les cormpresseurs centrifuges formant les étages d'entrée de la machine ét, d'autre part d'associer dans un même carter et sur un meme arbre d'entraînement les divers étages de compression, grâce à l'identité des dimensions et des The heat exchangers 48 cool the compressed gas C whenever necessary between two compression stages. The machine according to the invention is intended in particular for the compression of a gas whose flow rate varies between a few hundred and a few thousand tons per ton. The use of the peripheral compressors in output stages of the machine makes it possible, on the one hand, to make the centrifugal cormpressors forming the stages of the pump less sensitive to the pumping phenomenon. input of the machine and on the other hand to combine in the same housing and on the same drive shaft the various stages of compression, thanks to the identity of dimensions and
vitesses de rotation des compresseurs centrifuges et des compresseurs périphériques. rotational speeds of centrifugal compressors and peripheral compressors.
L'invention est également applicable à la fourniture d'un liquide sous pression, par exemple par cormpression d'un gaz par The invention is also applicable to the supply of a liquid under pressure, for example by cormpression of a gas by
les compresseurs centrifuges, liquéfaction de ce gaz par passage dans un échangeur de chaleur extérieur à la machine, puis par compression du liquide par les compresseurs périphériques. centrifugal compressors, liquefaction of this gas by passing through a heat exchanger outside the machine, then by compression of the liquid by the peripheral compressors.
On précisera, à titre d'exemple, qu'une machine selon linventlion, équipant la station 22 d'injection de gaz carbonique comprimé dans la nappe pétrolifère 10, est associée à une turbine à gaz fournissant une puiszance de 12 ordre de quelques mégawatts et entraînant l'arbre 3,0 à une aitesse de l'ordre de 1000035 '200 G toure L:inu O a rbre 30 ayant un dixmnètre d'environ Mm T les;otors des ccoiresseurs centrifuges et des comipresseurs aer Ariue e ayae des diamètres de lordre de 400 à 500 Ta Lae dêbih de gaz cabonique alimentant la machin'e peu' tre de l'ordre de 800-1000 tonnes par jour, la pression à l'entrée est de l'ordre de 80 bars, la pression à la sortie est de l'ordre de 250-300 bars Pour des raisons de disponibilité du gaz carbonique et/ou d'économie d'exploitation, un autre gaz, par exemple de l'azote, pourrait être utilisé pour propulser le gaz carbonique. By way of example, it will be pointed out that a machine according to the invention fitted to the station 22 for injecting compressed carbon dioxide into the oil table 10 is associated with a gas turbine providing a power of 12 orders of a few megawatts and resulting in the shaft 3.0 at a speed of the order of 10000 ° to 200 ° F., with a diameter of about 10 millimeters, in the case of centrifugal and air compressors. of about 400 to 500 tons of cabane gas fed to the machine can be of the order of 800-1000 tons per day, the pressure at the entrance is of the order of 80 bar, the pressure to the output is of the order of 250-300 bar For reasons of availability of carbon dioxide and / or economy of operation, another gas, for example nitrogen, could be used to propel the carbon dioxide.
Claims (8)
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